相比常规射线（X射线、60Co-γ射线等），重离子束具有特殊性质，如倒转的深度剂量分布和高的相对生物学效应，使得重离子束在给予肿瘤靶区很大辐射剂量、将肿瘤细胞杀死的同时，能很好地保护肿瘤周围和辐射通道上的正常组织，使其少受损伤。这些特性使重离子束在放射治疗领域独具优势。目前已应用于重离子肿瘤临床治疗试验的束流配送方式有两种，即日本HIMAC治疗装置所采用的被动式束流配送系统和德国GSI重离子治癌装置所采用的主动式束流配送系统。2009年，中国科学院近代物理研究所（IMP）基于兰州重离子研究装置冷却储存环（HIRFL-CSR），利用被动式束流配送系统开始进行深部肿瘤患者的碳离子束临床治疗试验研究。由于束流经被动式配送系统输送到深层终端治疗室等中心位置处的均匀照射野面积（5cm×5cm）较小，而通常患者肿瘤面积较大，这时需要将肿瘤靶区分成多个子野来进行照射，即分野照射。然而分野照射会带来一系列严重问题，如分野本身造成靶区内剂量分布不均匀、分野摆位误差使靶区内射野衔接处出现剂量热点或冷点。为保证治疗效果，分野照射问题的研究是至关重要的。目前计算人体组织剂量分布的方法有两种，一种是解析剂量算法，主要包括笔形束算法和宽束算法；另一种是蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）剂量算法，采用粒子输运软件模拟实际重离子束治疗条件并计算人体组织的辐射剂量。由于解析剂量算法计算复杂、精确性和适用范围有限，MC剂量算法因精确度高和模拟过程简单，成为目前治疗计划系统（TPS）中正在发展的算法。本文在GATE/GEANT4模拟平台实现模拟几何、物理过程和模拟粒子源后，进行了大量模拟调试，得到了与碳离子束实验结果符合较好的模拟结果，即3.4%的剂量精度，达到了放射治疗计划中临床剂量计算要求。本文利用得到的GATE模拟参数，针对IMP碳离子束临床治疗试验面临的分野照射问题（如射野衔接、射野适形、以及射野中心等）展开研究，为IMP今后开展的实验研究工作和重离子临床治疗试验提供理论指导。首先，本文模拟计算了不同种类和能量离子束在三维水箱中的吸收剂量、剂量平均LET和生物有效剂量分布，实现了HIRFL加速器所提供碳离子束在治疗室实验条件下的基础数据模拟计算；其次，针对射野衔接问题，本文模拟计算了分野衔接处的横向剂量分布，得到了患者摆位误差±1.0mm范围内的横向剂量分布，引入子野间距后，得到了分野衔接处中心剂量随子野间距的变化关系，计算了5.0mm子野间距的横向剂量分布，提出了解决剂量热点/冷点问题的方法，即引入5.0mm子野间距和提高患者定位精度；第三，针对射野适形，本文模拟计算了5.0cm×5.0cm射野的横向剂量分布，计算了对准直器构形进行1~6mm外放的横向剂量分布，得到了靶区±4%剂量包络范围随准直器大小的变化关系，研究发现：对准直器构形外放5.0mm，可以提高靶区边缘的剂量适形程度；最后，由于散射平衡对靶区中心剂量的影响，为了找寻最佳剂量标定条件、精确控制照射剂量，本文针对照射治疗条件下某些参数（如碳离子束能量、准直器大小、以及辐射场大小等）进行了模拟计算，研究发现：实际临床治疗试验前应针对所需能量选择Bragg曲线坪区进行剂量标定。本研究工作对减小放射治疗剂量控制误差、提高肿瘤靶区剂量均匀性、提高放射治疗效果具有重要意义。同时紧密结合重离子束治疗计划系统，为蒙卡剂量算法的实现奠定基础，以及为重离子适形治疗技术的进一步发展提供数据和理论支持。